專利名稱：立體取景儀器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及立體取景儀器，尤其涉及具有相對大的光瞳、高亮度、寬 ,鵬和相對長咖艮鏡間隙的立體取景儀器。
背景技術(shù)：
普遍認為饊多呈:E膽體圖像的顯示設(shè)備具有顯著的優(yōu)點。立體取景儀器已 被大量應(yīng)在例如虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)、醫(yī)療儀器、飛行員訓(xùn)練和信息系統(tǒng)等領(lǐng)域。
用于立體顯示的幾禾中已被提出的解決方案的典型實例如下
第5,757,546號美國專利(Upton etal.)公開了一種用單顯示屏浸沒立體取 景的場連續(xù)系統(tǒng)；
第3,463,570號美國專利(Ratl近,Jr.)公開了一種使來自照片的圖像呈立體 顯示的取景器；
第5,615,046號美國專利(Gilchrist)公開了一種具有分離的顯示屏以提供 左右眼圖像的立體取景器；
第4,982,278和4,933,755號美國專利(Dahletal.)公開了一種具有由一對 液晶(液晶)顯示器產(chǎn)生的左右眼圖像的頭戴裝置(HMD);
公開號為2005/0001899和2004/0196553 (Banjuetal.)的美國專利申請公開 了一種專門適用于醫(yī)療儀器的懸臂式立體取景儀器。
如Jl^專利文獻的簡要列表所表明的，禾,CRT和液晶顯^置的立體取 景器的設(shè)計具有許多個不同的方法。在McDowall等人的"Stereoscopic Displays andAoolications"1990,SP正Volume 1256，pp.l36-146中也公開了iMCRT圖像的 懸臂式^S:器。Fisher等人的"Stereoscopic Displays and Virtual Reality System IT1995, SP正Volume 2409,pp. 196-199公開了一種4:OT液晶，的改進的方法。 可以在市場上購買來自如Inition, Ltd. London, UK等公司的具有立體顯示能力的 HMD產(chǎn)品。
雖然有許多用于立體顯^置的建議解決方案，但是固有的幾何和人體工
程限帝棉'j約了光學(xué)設(shè)計。對于觀察者來說，存在兩眼分離距離的一個數(shù)值范圍 和為了取景舒適對一定數(shù)量的眼睛間隙的需求，尤其是對戴眼鏡的觀察者。為 了提供最佳的圖像質(zhì)量，也存在對高亮度、大的取景光瞳、高^f摔和寬卑郷予 的需求。應(yīng)當(dāng)具有^E右眼圖像之間的最小色度亮度干擾和環(huán)境光的最小干擾。 應(yīng)該允許觀察者的適度移動，即在眼睛位置的一個范圍內(nèi)能夠觀看至啲立體圖 像。
正如立體取景器設(shè)計領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟知的，這些需求經(jīng)常是鄉(xiāng)蟲的并 且不得不作出一些折中。特別，雙目立體取景器有三個希望具備的特細每增加 目鏡的直徑
(i)大鵬；
(11)大取景光瞳；和
(iii)加長的眼睛間隙。
當(dāng)用大直蹄鏡總佳地實現(xiàn)戰(zhàn)每個希望具備的特征(i)， di)， (iii)時， 目鏡透鏡自身的尺寸受兩眼間距的限制，使得每個目鏡的直徑不得大于這個距 離。因為人體工程的限制，所以作出了不同的折中。例如，(i) !鵬、(ii)光瞳 大小和(iii)眼睛間隙有所^K如果大柳艮睛間隙(in)是首要重要的，那么 設(shè)計就必須犧牲(i)和(iO，提供更小的卑鵬和更小的光瞳，完全保證透!體 徑小于兩眼間距。另外，對于HMD，例如，要沒有大取景光瞳的話，犧牲眼睛 間隙(in)以得至概野(i)的最大值。對于懸臂式取景設(shè)備，減少特征(i)、 (ii) 和(in)之間的折中所需的更大的透鏡由于兩眼間距不能夠安裝在一起。
例如，大部分HMD限于提供最好不大于12到15mm的取景光瞳，同時眼睛 間距通常小于25mm。其它鄉(xiāng)的雙目和懸臂式系統(tǒng)也難于提供更大的光瞳尺 寸。典型地，雙目系統(tǒng)，提供一般在2—3mm范圍內(nèi)的小光瞳尺寸，需要觀察 者的頭部倚著定位機構(gòu)方爐以傲見察者咖艮鏡固定在正確的位置。雙目系統(tǒng)也 提供兩眼間距的調(diào)整。
試圖最大化視野，使用傳統(tǒng)的立體取景設(shè)計方法得到暈影效應(yīng)。傳統(tǒng)立體 取景系統(tǒng)的暈影效應(yīng)減少了立體，鄉(xiāng)予并具有更寬的單眼，鵬予。例如，針眼睛 可以看見60度的視野，但是4TN艮睛之間重疊的僅40度。
因此，雖然已經(jīng)提出了用于懸臂式和其它便攜式立體取景系統(tǒng)的解決方法， 但是公認為仍存在相當(dāng)大的提升空間，尤其是對于提高的圖像亮度、提供更寬的,鵬、更高的^f,率、更大的取景光瞳尺寸和更大的眼睛間隙。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個技術(shù)問題是提供一種用于立體取景的光學(xué)儀器，包括
a) 第一jWl,包括
I) 用于產(chǎn)生第一圖像的第一顯示器；
II) 用于提供所述第一顯示器的虛擬圖像并把光弓I向第一取景光瞳的第一取 繊竟組件；
其中第一取誠鏡組件的至少一個光學(xué)組件沿第一側(cè)面截斷；
b) 第二M道，包括
1)用于產(chǎn)生第二圖像的第二顯示器；
ii)用于提供所述第二顯示器的虛擬圖像并把光弓I向第二取景光瞳的第二取
其中第二取:tit鏡組件的至少一個光學(xué)組件沿第二側(cè)面截斷；
lil)布置在第二顯示器和第二取皿鏡之間的第一反射折疊表面以折疊在
第二M道內(nèi)的大部分光；
其中所述第一反射折疊表面的,部分阻擋了在第一 道中的一部分
光；和
其中第一取景組件的第一偵靦不布置i^fi第二取景透鏡組件的第二側(cè)面。
本發(fā)明的一個瞎征是具有^3M察者兩眼間距的直徑的透鏡元件的使用。 本發(fā)明的一個優(yōu)點是在立體取景儀器中提供了大取景光瞳、大視野和大眼 睛間隙。
本發(fā)明的另一個優(yōu)點是不需要用于提供立體顯示的快門裝置。 本領(lǐng)域的技術(shù)人員M閱讀下面結(jié)合附圖的詳細描述，其中包括顯示和描
述了本發(fā)明的一個示例實施例，對本發(fā)明的這些和其它目的、特征和優(yōu)點將變
得清楚。


雖然說明書以具體地指出并清楚地聲明了本發(fā)明的主題的權(quán)禾腰求作為
結(jié)束，但是相信由下面結(jié)合附圖的描述將更好地理解本發(fā)明，其中
圖1是根據(jù)本發(fā)明的立體取景儀器的透視圖2是顯示形成左取景光瞳的光徑的射線圖3是顯示左取景光瞳如何形成的頂視圖4 ，示右取景光瞳如何形成的頂視圖5A和5B分別是取景光瞳241和24r的平面圖6是根據(jù)一個實施例的itH裝置的平面圖7是根據(jù)一個實施例的透鏡裝置的透視圖； 圖8是根據(jù)一個實施例的透鏡裝置的分解圖。
具體實施例方式
本說明書特別針對構(gòu)成根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的部分的元件或更直接地與根據(jù) 本發(fā)明的設(shè)備相配合的元件?？梢岳斫獾氖菦]有特別示出或描述的元件可以有 不同的對于本領(lǐng)域技術(shù)人員熟知的形式。
參照圖i，顯示了在本發(fā)明的一個實施例中的立體取景儀器io。顯示器m
和12r,典型的一種平板顯示器，提供左眼和右眼的源圖像。折疊鏡14或其它 鄉(xiāng)的反射面使來自顯示器12r的右眼圖像的光徑改變方向。取景光學(xué)系統(tǒng)20 具有左右取，鏡組件221和22r,以隨后描述的方式固定在一起。取景光學(xué)系 統(tǒng)20提供中心分離為兩眼間距D的左右取景光瞳241和24r。
參照圖2，顯示了用于形成左取景光瞳241的光徑。在這個實施例中，取景 iS!竟組件221具有三個部件，用于在取景光瞳241提供顯示器121的虛像的透鏡 元件L1、 L2和L3。由于在取l^tl竟組件22r和顯示器12r之間的折疊鏡14， 用于形成右取景光瞳24r的光徑是類似的。iSI竟Ll和L2可以形成接合的透鏡 沐如圖2中所示。在另一個實施例中，育^I對柳透鏡元件L1、 L2和L3的不 同布置，和不同數(shù)量的iff竟元件。
在圖1的布置中，育鵬觀察到左右顯示器121和12r超出了取景光瞳241和 24r的尺寸。雖然這個尺寸關(guān)系不是必須的(顯示器121和12r可以更小)，但是 當(dāng)顯示器121和12r大于％1光瞳241和24r時會^l多具有在亮度和分辨率上的顯 著優(yōu)勢。
顯示器121和12r可以是若干顯示^M中的任何一種。尤其是重量和尺寸
占優(yōu)的如液晶顯示器的平板顯示器，包括更大尺寸的薄膜晶體管(TFT)類型的 液晶顯示器。有機LED (OLED)顯示器是另一種適合的平板顯示器。CRT或 其它類型的顯示器也能夠用于提供左右眼圖像。
也能夠注意到在本發(fā)明的設(shè)備中至少一^3i道被折疊了。在圖1的布置中， 右光通道是折疊的。任選地，左 道，或左和右光通道都可以包括一折疊鏡。 折疊的兩個 道具有簡化在兩個通道內(nèi)的電子器件的優(yōu)點。位于折疊的 道中的顯示器顯示最終被觀察者觀看到的鏡像。依靠這個應(yīng)用，也可以具有在 立W(景光學(xué)系統(tǒng)20的深度或形成因素方面的優(yōu)點。 取景光學(xué)系統(tǒng)20
如圖1中所示，取景光學(xué)系統(tǒng)20具有用于形成左右取景光瞳241和24r的 光學(xué)組件的布置。為了提供大的取景光瞳241和24r，以及大^I予和大眼睛間隙， 在左右取，鏡組件221和22r中的透鏡元件Ll 、 L2和L3是相對較大的。在 一個實施例中，這些透鏡超^J:是大于3英寸(76mm)的。但是，這超出了 兩眼間距，其對成人來說典型地是在大約60—70mm的范圍內(nèi)。因此，為了使 用大尺寸的透鏡，左右取:Sit鏡組件221和22r的一個或多個透鏡元件Ll、 L2 和L3沿一個邊緣截斷，如圖3、 4、 5A和5B。對于左取景透鏡組件221，截斷 部分261朝向孑L徑的右側(cè)。對于右取景邀竟組件22r，截斷部分26r朝向孔徑的 左側(cè)。作為透鏡截斷的結(jié)果，Wit鏡組件221和22r肯詢多在一個^l蟲的箱體內(nèi) 裝配到一起，保持左右光軸正確地以兩眼平均間距大約為64mm來間隔。
參照圖6、 7和8，分別顯示了在一個實施例中的取景光學(xué)系統(tǒng)20的透鏡裝 置30的平面圖、透視圖和分解圖。透鏡裝置30為左右取景透鏡組件221和22r 提供一箱體32 。在這個實施例中，左右取景透鏡組件221和22r的透鏡Ll和L2 (在圖2的實施例中接合的透鏡對)的直徑都^1了兩眼平均間距D并且被截斷 以便安裝在一起，如參照圖3、 4、 5A和5B所描述。
圖6顯示了在左右取景透鏡組件221和22r的各個光軸之間的兩眼間距D。 圖8的懶軍圖顯示了在這個實施例中的裝配詳情。根據(jù)實施例，可以或不可以 截1 鏡L3或其它透鏡。透鏡Ll/L2的接合組件和后透鏡L3也在懶軍圖中顯 示。箱體32把左右取景透鏡組件221和22r作為一個單元封^來。也顯示了 可選擇的固定器34。可以理解的是任何數(shù)量的箱體32的其它可能布置和相關(guān)組 件會,被用于以一個單獨組件封裝左右取景透鏡組件221和22r。
使用相對大的透鏡元件肖,實現(xiàn)相對于傳統(tǒng)的懸臂式和HMD立體取景儀 器更大的左右取景光瞳241和24r、更大的視野和增加兩眼間距的結(jié)合。圖3和 4分別顯示了左右M道的射線圖。在圖3中，顯示了被顯示器121上產(chǎn)生的 圖像的典型射線。由于鏡子14的位置和在圖3中顯示的透鏡元件的截斷，少量 的圖像被有效地暈影了，如在圖3中通過虛線圓圈Vi突出的。類似，圖4顯示 了在右顯示器12r上產(chǎn)生的圖像的典M"線。來自顯示器12r —偵啲光的一小部 分沒有被鏡子14 Ml寸，如通過虛線圓圈K突出的。這些暈影效應(yīng)導(dǎo)致在MI予 中的這些位置上的光瞳尺寸的一些損失。但是，顯而易見的是這些暈影效應(yīng)不 ^右取景光瞳241和24r的立體Wf相同的部分中。由于這種方式的暈影，大 部分左右取景光瞳241和24r上的全立體圖像是有用的。在暈影出現(xiàn)的地方，圖 像對于左眼或右眼仍然是可視的，但是，^I 的那部分不是立體的了。
即使在取景光瞳241、 24r的一些部分中不是真正立體，這種布置實現(xiàn)了更 大的有效取景光瞳241、 24r。視野中立體部分的相對比例取決于觀察者眼睛的位 置。如果觀察者向左或向右移動的過遠，整個視野是看得見的，但是圖像是立 體的部分所占的比例更小。有效地，取景光瞳241、 24r的尺寸或皿隨著Wf 而改變。不同的情況，旨US予在光瞳區(qū)域A上能夠被立體地觀察(亦即利用 雙眼)并且相同的視野在區(qū)域A的夕剛能夠連續(xù)以非立體地被看到(也就是， 僅用一個眼睛)。這在圖5A和5B中示例了。如果觀察者的眼睛處于截斷的圓 形光瞳241、 24r的內(nèi)部的任何位置，那么旨圖像場是可見的。如果觀察者的 眼睛iSA光瞳的截斷部分(對于左眼的261，對于右眼的26r)，那么一部分場是 暈影的。如果，例如，觀察者的左目腿入截斷部分261，那么觀察者的右眼一定 處于右取景光瞳的非截斷部分。由于這個設(shè)計，在任何給定的時間，對于任何 給定的頭部位置，視野僅僅對一個眼睛是暈影的。
本發(fā)明的設(shè) 供具有使觀察者舒適的眼睛間隙(如在圖3中顯示的尺寸 E)的立體顯示器，大光目IX寸和比由傳統(tǒng)懸臂式立體顯示器提供的視野更大的 視野。例如，在一個懸臂式取景器的實施例中，可以得到眼睛間隙在50mm范 圍內(nèi)，并且伴以+/-36度的水平W予，禾口30mm的取景光瞳。
本發(fā)明的設(shè)備能夠?qū)τ趹冶凼搅Ⅲw取景提供非常高的聚光率。由于顯示器 121和12r的尺寸育詢多大于兩眼間距D，所以這是特別正確的。
在左右取景透鏡組件221和22r中的光學(xué)部件的布置具有相當(dāng)大的靈活性。
如參照圖1所描述的這些光學(xué)元件的截斷允許合適的兩眼間距D (認為與瞳孔間距相等)。在圖l、 3和4中顯示的布置在右 道中使用鏡子14;但是，如對光學(xué)設(shè)計領(lǐng)域的技術(shù)人員顯而易見的是，類似的布置將允許改變在左光通道中用于折疊光徑的鏡子14的用途。如之前駄的，在其它實施例中，也可能折疊兩個光鵬。
因此，提供的是具有相對大的光瞳、相對大的視野、相對大的眼睛間隙和 高亮度的用于立體取景的設(shè)備和方法。
部件列表
10立微景儀器
121左顯不器
12r右顯示器
14鏡子
20取景光學(xué)系統(tǒng)
221左取 鏡組件
22r右取，鏡組件
241左取景光瞳
24r右取景光瞳
261左截斷部分
26r右截斷部分
30透鏡裝置
32箱體
34固定器
權(quán)利要求
1.用于立體取景的光學(xué)儀器，包括a)第一光通道，包括i)用于產(chǎn)生第一圖像的第一顯示器；ii)用于提供所述第一顯示器的虛擬圖像并把光引向第一取景光瞳的第一取景透鏡組件；其中第一取景透鏡組件的至少一個光學(xué)元件沿第一側(cè)面截斷；b)第二光通道，包括i)用于產(chǎn)生第二圖像的第二顯示器；ii)用于提供所述第二顯示器的虛擬圖像和把光引向第二取景光瞳的第二取景透鏡組件；其中第二取景透鏡組件的至少一個光學(xué)元件沿第二側(cè)面截斷；iii)在第二顯示器和第二取景透鏡組件之間放置的第一反射折疊表面以折疊在第二光通道內(nèi)的大部分光；其中所述第一反射折疊表面的邊緣部分阻擋了在第一光通道中的一部分光；和其中第一取景組件的第一側(cè)面被布置成靠近第二取景透鏡組件的第二側(cè)面。
2. 權(quán)利要求l的光學(xué)儀器，其中第一光通道進一步包括安置在第一顯示器 和第一取:S^鏡組件之間的第二魁付斤疊表面以折疊在第一光通道內(nèi)的大部分光。
3. 權(quán)利要求l的光學(xué)儀器，其中第一取景組件的至少一個光學(xué)元件的直徑
4. 權(quán)利要求l的光學(xué)儀器，其中該第一和第二取皿鏡組件被安裝在相同 的箱體中。
5. 權(quán)利要求l的光學(xué)儀器，其中第一顯示器是液晶裝置。
6.權(quán)利要求l的光學(xué)儀器，其中第一顯示器是有機LED裝置。
7. 權(quán)利要求l的光學(xué)儀器，其中第一顯示器包括CRT。
8. 權(quán)利要求l的光學(xué)儀器，其中第一取景光瞳是右眼取景光瞳。
9. 權(quán)利要求1的光學(xué)儀器，其中第一取景光瞳駐眼取景光瞳。
10. 豐又利要求1的光學(xué)儀器，其中第一和第二取皿鏡組件的外直徑大于 第一和第二透鏡組件的各個光軸之間的間距。
11. 用于立體取景的光學(xué)儀器，包括a) 第一M道，包括b)用于產(chǎn)生第一圖像的第一顯示器；11)用于提供所述第一顯示器的虛擬圖像并把光弓I向第一取景光瞳的第一取景鏡組件；其中第一取，鏡組件的至少一個光學(xué)元件沿第一側(cè)面截斷；安置在第一顯示器和第一取景鏡組件之間的第一反射折疊表面以折疊在第一 通道內(nèi)的大部分光。b) 第二通道，包括l)用于產(chǎn)生第二圖像的第二顯示器；ii)用于提供所述第二顯示器的虛擬圖像和把光弓I向第二取景光瞳的第二取 驗鏡組件；其中第二取驗鏡組件的至少一個光學(xué)元件沿第二側(cè)面截斷；iii)安置在第二顯示器和第二取:Sit鏡組件之間的第二反射折疊表面以折疊在第二通道內(nèi)的大部分光；其中所述第二反射折疊表面的邊緣部分阻擋了在第一光通道中的一部分光；和其中第一取景組件的第一側(cè)面被布置成S^第二取景透鏡組件的第二側(cè)面。
12. 權(quán)利要求ll的光學(xué)儀器，其中第一取景組件的至少一個光學(xué)元件的直徑超過64mm。
13. 權(quán)利要求ll的光學(xué)儀器，其中該第一和第二取景透鏡組件被安裝在相 同的箱體中。
14. 權(quán)利要求ll的光學(xué)儀器，其中第一顯示器是液晶裝置。
15. 權(quán)利要求ll的光學(xué)儀器，其中第一顯示器是有機LED裝置。
16. 禾又利要求ll的光學(xué)儀器，其中第一顯示:tl包括CRT。
全文摘要
立體取景儀器(10)，包含具有第一顯示器(121)和第一取景透鏡組件(221)的第一光通道，其產(chǎn)生一個虛像。第一取景透鏡組件的至少一個光學(xué)組件沿第一側(cè)面截斷(261)。第二光通道具有第二顯示器(12r)和第二取景透鏡組件(22r)，其產(chǎn)生一個虛像。第二取景透鏡組件的至少一個光學(xué)組件沿第二側(cè)面截斷(26r)。安置在第二顯示器和第二取景透鏡組件之間的反射折疊表面以折疊在第二光通道內(nèi)的大部分光。第一取景組件的第一側(cè)面被布置為靠近第二取景透鏡組件的第二側(cè)面。
文檔編號G02B27/22GK101198895SQ200680021568
公開日2008年6月11日 申請日期2006年6月2日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月17日
發(fā)明者J·M·科布, M·E·布里奇斯 申請人:伊斯曼柯達公司